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CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 1 Modélisation et dimensionnement dun étage haute température de dégradation des goudrons assistée par.

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1 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre Modélisation et dimensionnement dun étage haute température de dégradation des goudrons assistée par torche plasma Romain DEMARTHON Doctorant ANR Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés Université de Pau et des Pays de l Adour

2 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 Plan de la présentation 2 I – Procédé TURBOPLASMA II – Simulation CFD – FLUENT ® III – Perspectives IV – Remerciements 1- Description globale 2- Quelques caractéristiques 3- Modèle CFD du TBPL 300kW 1- Schéma réactionnel 2- Modifications du schéma 3- Objectifs

3 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 I - Procédé TURBOPLASMA ® 1- Description globale 3 TURBOPLASMA ® Réacteur de craquage thermique des goudrons par assistance plasma Process CHO-Power

4 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 I - Procédé TURBOPLASMA ® 1- Description globale 4 Fonctionnement TURBOPLASMA ®

5 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 I - Procédé TURBOPLASMA ® 2- Quelques caractéristiques 5 Torche plasma Torche à arc non-transféré P=300kW Température dard plasma 4000K Enthalpie moyenne 5-8 MJ/kg Gaz à traiter Gaz provenant dun gazéifieur lit fluidisé Température 900K Présence de goudrons Particules solides en suspension

6 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 I - Procédé TURBOPLASMA ® 3- Objectifs 6 Objectif du dimensionnement: Optimiser la géométrie du réacteur - des grandeurs physiques géométriques - des matériaux utilisés (propriétés) - des conditions opératoires nominales DIMMENSIONNEMENT : Performances jugées en fonction de labattement des goudrons initialement présents dans le gaz

7 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 I - Procédé TURBOPLASMA ® 3- Objectifs 7 Objectif de la modélisation : Valider le modèle cinétique amélioré - Ajouts de nouvelles espèces chimiques - Ajout phase discrète - Changement de modèles numériques MODELISATION : Comparatif entre résultats CFD et résultats expérimentaux Courant 2012 …

8 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 1- Schéma réactionnel 8 Modélisation de dégradation des goudrons présents: 3 espèces modèles =Classe 2 - Benzène Classe 3 - Toluène Classe 4 - Naphtalène Chaque classe de goudrons est représentée par une substance chimique représentative du comportement physico-physique de lensemble de chaque classe. Autres substances prises en compte : H2,CO, CO2, CH4, H2O, Suie...

9 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre Utilisation dun schéma réactionnel existant A. Fourcault, « Modélisation dun étage haute température alimenté par une torche à plasma pour la dégradation des goudrons présents dans les gaz de synthèse », Thèse de lUniversité de Pau et des Pays de lAdour, II - Simulation CFD - FLUENT ® 1- Schéma réactionnel

10 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 2- Modification du schéma 10 Ajout dune phase discrète (Carbone solide) + Caractérisation physique des particules solides (granulométrie, porosité) Modélisation de 3 réactions hétérogènes Limite du modèle si Phase Continue seule

11 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW 11 Différentes étapes dune simulation FLUENT

12 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW 12 Outils de pré-dimensionnement Module TORCH permet dobtenir lensemble des grandeurs nécessaires pour modéliser la torche plasma Module CINE permet prédire la composition du gaz ainsi que ses propriétés physico-chimiques en sortie du réacteur (constantes équilibres). Le réacteur est considéré comme un réacteur batch parfaitement agité et adiabatique. … Définir le volume adéquate du réacteur

13 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW 13 + Etudes de sensibilité sur les différents types de maillage possibles. Découpage du réacteur en plusieurs zones pour faciliter le maillage des zones à fort gradient (Compromis entre temps / précision du calcul)

14 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 II - Simulation CFD - FLUENT ® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW 14 Modélisation numérique : de lécoulement du mélange gazeux des échanges thermiques internes / externes des zones réactionnelles de labattement global des goudrons

15 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre Trajectoires de particule Comportement du carbone solide dans TBPL Influence dun REDLER (captage des particules) Prédiction affinée du comportement réel du TBPL 300 kW Obtention de nouvelles données … II - Simulation CFD - FLUENT ® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW

16 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 III - Perspectives 16 Ajout de nouvelles espèces et donc de réactions homogènes (Acétylène, Ethylène, Ethane, Phénols, HPAs) -La production de suies via des précurseurs (naphtalène) - La polymérisation daromatiques simples en HPA (Pyrène, Phénanthrène) - Loxydation de aromatiques La modélisation prendra donc en compte :

17 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 III - Perspectives 17 Autres évolutions potentielles : Couplage CHEMKIN avec le modèle réactionnel Insérer des nouvelles espèces intermédiaires Seule la comparaison des résultats des simulations CFD aux résultats expérimentaux permettra une validation définitive du nouveau modèle réactionnel quant à la dégradation thermique des goudrons.

18 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 IV - Remerciements 18 Ce travail a été effectué dans le cadre du Programme National de Recherche sur les BioEnergies de lAgence Nationale de la Recherche (ANR 2009 BioE TURBOPLASMA).

19 CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 IV - Remerciements 19 Merci de votre attention


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